摘要：為保障南四湖生態(tài)安全和周邊居民健康，在汛后和汛前對南四湖沉積物中大環(huán)內(nèi)酯類、四環(huán)素類、喹諾酮類、β-內(nèi)酰胺類、磺胺類和氯霉素類抗生素進行測定，分析其組成特征，并評估其潛在的環(huán)境風(fēng)險。結(jié)果表明：抗生素總含量在2.72-276.07 ng·g-1之間，平均含量較高的有喹諾酮類的氧氟沙星（11.67 ng·g-1）、恩諾沙星（4.96 ng·g-1）、環(huán)丙沙星（3.80 ng·g-1）、諾氟沙星 （3.60 ng·g-1）和四環(huán)素類的氧四環(huán)素（6.40 ng·g-1）、金霉素（2.34 ng·g-1）。此外，大環(huán)內(nèi)酯類的一些抗生素檢出率較高，其中潔霉素和羅紅 霉素的檢出率為100%。抗生素組成在汛后和汛前具有顯著差異（Adonis test，P＜0．01），汛后抗生素的含量和種類數(shù)（48.21 ng·g-1， 27種）均高于汛前（32.08 ng·g-1，23種）；而上級湖和下級湖間的抗生素組成無顯著差異，但在不同采樣位點間變化較大。風(fēng)險熵值分析表明，氧氟沙星、環(huán)丙沙星、氧四環(huán)素和潔霉素同時具有較高的生態(tài)風(fēng)險和抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險，且一些低或無生態(tài)風(fēng)險的抗生素（如諾氟沙星和氯霉素）也可能產(chǎn)生較高的抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：抗生素；生態(tài)風(fēng)險；抗性發(fā)展風(fēng)險；沉積物；南四湖

中圖分類號：X524 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）07-1609-12 doi：10.11654/jaes.2023-0657

抗生素的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用在預(yù)防和治療疾病方面發(fā)揮了極其重要的作用。近年來，抗生素在醫(yī)療、畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域的廣泛使用導(dǎo)致其在淡水水體中普遍存在。2000-2015年間，全球抗生素消費量從211億劑量增加到348億劑量，并將在2030年進一步增加200%。據(jù)統(tǒng)計，人畜對抗生素的利用率為30%-90%，進人生物體的抗生素大多以母體或中間代謝產(chǎn)物的形式排泄出去，并通過簡單的污水處理或直接排入河流，導(dǎo)致抗生素在部分水體及沉積物中的污染負荷較高。例如，長江中游的湖泊沉積物中抗生素的總含量在39.3-18 250.6 ng·g-1之間，華北最大淡水湖泊白洋淀水體中抗生素總濃度為85.33-1 631.47 ng·L-1，沉積物中總含量為66.90-177.03 ng·g-1，而我國最大的內(nèi)陸湖泊青海湖沉積物中抗生素總含量僅為0.72-8.31 ng·g-1，可見不同水體中抗生素的濃度分布明顯不同，其受人口密度及地理和水文因素影響較大。進入地表水體和沉積物中的抗生素不僅增加了污染負荷，對水生生物如藻類、浮游動物、魚類和底棲生物等產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致生態(tài)風(fēng)險；還能通過選擇性壓力促進細菌耐藥性的產(chǎn)生和傳播，引起抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險，并進而對人類疾病的治療構(gòu)成潛在威脅。

南四湖是中國第六大淡水湖，也是南水北調(diào)的重要調(diào)蓄湖泊，具有蓄水、防洪、排澇、旅游等多種功能。隨著流域內(nèi)旅游業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，部分抗生素被排人南四湖，湖泊的水力停留時間較長以及沉積物對各類抗生素的吸附特性使得進入水體的抗生素容易在沉積物中蓄積，同時其在一定情況下又可重新被釋放至水體中，因而可能具有較高的生態(tài)風(fēng)險和抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險。本研究以南四湖沉積物為研究對象，分析大環(huán)內(nèi)酯類、四環(huán)素類、喹諾酮類、β-內(nèi)酰胺類、磺胺類和氯霉素類抗生素的檢出率、含量水平及時空分布特征，并采用熵值法計算不同類型抗生素的生態(tài)風(fēng)險和抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險，明確主要的抗生素污染類型和環(huán)境風(fēng)險水平，研究結(jié)果可為南四湖的環(huán)境安全管理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器和設(shè)備

實驗所需主要儀器和設(shè)備見表1。

1.2 樣品采集

南四湖由二級閘壩攔腰截斷，分為上級湖和下級湖，采用網(wǎng)格化布點法在上級湖設(shè)置14個采樣點（編號為S1-S14），在下級湖設(shè)置12個采樣點（編號為X1-X12），如圖1所示。樣品采集分為兩次，分別為汛后（2021年10月）和汛前（2022年5月）。使用抓斗式采集器對表層沉積物（0-10 cm）進行采集，樣品混合后置于聚乙烯袋中密封保存并做好標記，再放人裝有冰袋的泡沫箱于當天運回實驗室，置于-80℃冰箱保存，在冷凍干燥和研磨過100目篩后用于抗生素分析。

1.3 抗生素的提取與測定

1.3.1 抗生素的提取與純化

取0.2 g樣品于50 mL離心管中，加入10 mL乙腈（色譜純）和10 mL檸檬酸緩沖液（分析純，pH=4），渦旋1 min后超聲提取15 min，離心并收集懸浮液。重復(fù)2次從加入乙腈到收集懸液的步驟。合并所有提取液于棕色雞心瓶內(nèi)，在45℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至近干，用高純水定容到100 mL并經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，加入0．2gNa2-EDTA（分析純）進行超聲溶解。

用10 mL甲醇（色譜純）和10 mL超純水依次淋洗活化SPE固相萃取柱（SAX-HLB串聯(lián)），并將提取液以5 mL·min-1的流速勻速通過萃取柱，然后用10mL超純水沖洗雞心瓶上殘留的提取液，并轉(zhuǎn)移到萃取柱上采用同樣的方法過柱。之后，串聯(lián)柱抽真空約10 min，再拆下Bond Elut SAX小柱（500 mg/6 mL，Agi-lent公司），利用氮氣將HLB小柱吹10 min以去除水分。然后用甲醇溶液洗脫OASIS HLB小柱（200 mg/6mL，Waters公司）上的抗生素至10 mL離心管中，接著利用氮吹儀吹至近干，加入10 μL內(nèi)標物，最后加入超純水與甲醇（8：1.9）的混合液，定容到1 mL，渦旋混勻30 s后，過0.22 μm濾膜，準備上機分析。

1.3.2 抗生素的測定

采用超高效液相色譜—串聯(lián)質(zhì)譜（UPIC-MS-MS）法對沉積物中的6大類28種抗生素含量進行測定，抗生素標準品詳細信息如表2所示。色譜條件為：樣品進樣體積為5 μL；流動相A為0．2%甲酸水，流動相B為甲醇，流速為o．35 mL·min-1，梯度洗脫程序見表3。質(zhì)譜條件如下：離子源為電噴霧離子源；毛細管電壓，ESI+為3.5 kV，ESI-為3.0 kV；氮氣流量700 L·h-1；霧化氣溫度400℃；離子源溫度150℃；錐孔氣流速30 L·h-1；碰撞氣流速0.15 mL·min-1。

1.3.3 方法回收率與質(zhì)量控制

用甲醇稀釋抗生素標準液，配制濃度為2、10、50、200、1 000、5 000、10 000、25 000 ng·L-1的抗生素混合標準溶液，以抗生素濃度為橫坐標、峰面積值為縱坐標繪制標準曲線。同時設(shè)置空白、空白加標和基質(zhì)加標，用以確保檢測方法的可靠性和計算目標物的回收率，基質(zhì)加標回收率用加標與未加標樣品中測得的抗生素濃度差除以加標量得到，并通過參考內(nèi)標物的回收率確保UPLC-MS-MS在運行分析過程中的穩(wěn)定性。同時，以3倍信噪比計算檢出限，10倍信噪比計算定量限。結(jié)果表明，抗生素的總體回收率在33.6%-76.1%。每種抗生素的基質(zhì)加標回收率、標準曲線、檢出限和對應(yīng)內(nèi)標物見表2。

1.4 生態(tài)風(fēng)險和抗性發(fā)展風(fēng)險評估

由于水環(huán)境中抗生素濃度普遍不高，因此大部分抗生素對水生生物的急性毒性較小，而抗生素的不斷累積導(dǎo)致其慢性毒性對水生生物的影響較大。Zhang等基于水體中抗生素的慢性毒性數(shù)據(jù)通過物種敏感性分布（Species sensitivity distribution，SSD）和評價因子（Assessment factor，AF）法計算得到了關(guān)于抗生素生態(tài)風(fēng)險的預(yù)測無效應(yīng)濃度（Predicted no - effectconcentration of ecological risk，PNECeco）；并通過將最小抑菌濃度（Minimum inhibitory concentration，MIC）除以10得到抗生素對每一菌屬抗性菌株的最小選擇性濃度（Minimal selective concentration，MSC），進而使用SSD法和AF法得到了基于抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險的預(yù)測無效應(yīng)濃度（Predicted no - effect concentration ofresistance development risk，PNECres）。本研究主要采用Zhang等計算得到的水體中抗生素的PNECeco和PNECres數(shù)據(jù)，對于少數(shù)未涵蓋在內(nèi)的抗生素（TPC、ATM、SCZ、SFT、SMR和DMC），通過查找其他文獻獲得其PNECeco值（表4）。根據(jù)沉積物—水分配系數(shù)（Kd），將獲取到的水體中27種抗生素的PNECeco和19種抗生素的PNECres轉(zhuǎn)換成沉積物中抗生素基于相應(yīng)風(fēng)險的PNEC值，采用風(fēng)險熵值（Risk quotient，RQ）法對沉積物中抗生素的生態(tài)風(fēng)險（RQeco）和抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險（RQres）進行分析，其計算公式如下：

式中：RQsediment為沉積物中抗生素的風(fēng)險熵值（生態(tài)風(fēng)險熵值或抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險熵值）；MEC為實測的抗生素濃度；PNECwater、PNECsdeiment分別為水體和沉積物中抗生素的預(yù)測無效應(yīng)濃度（基于生態(tài)風(fēng)險或抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險）；Kd為沉積物-水分配系數(shù)；Koc為有機碳分配系數(shù)；Foc為沉積物中有機碳質(zhì)量分數(shù)；Kow為辛醇／水分配系數(shù)。RQ＜0．01表示無風(fēng)險，0．01≤RQ＜0．1表示低風(fēng)險，0．1≤RQ＜1表示中風(fēng)險，RQ≥1表示高風(fēng)險。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用0rigin 2019對不同采樣時間和位點的抗生素含量作柱狀圖。使用R語言中的Vegan和PairwiseAdonis程序包，采用基于Bray-Curtis距離的主坐標分析方法（Principal Co-ordinates analysis，PCoA）展示抗生素在不同時間（汛后和汛前）和空間（上級湖和下級湖）組成上的差異性。采用R語言中的boxplot函數(shù)生成各類抗生素含量的箱線圖。使用R語言中的Pheatmap程序包生成抗生素的生態(tài)風(fēng)險和抗性發(fā)展風(fēng)險熱圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物中抗生素的檢出水平

南四湖沉積物抗生素的檢出量和檢出率如表5所示。除SRY以外，其他27種抗生素均有不同程度檢出，抗生素的總含量范圍為2.72-276.07 ng·g-1，平均含量為40.15 ng·g-1，低于我國洪湖（3 812 ng·g-1）和白洋淀（270.4 ng·g-1）沉積物中抗生素的平均含量，但高于武漢市南湖（19.43 ng·g-1）、東湖（12.29 ng·g-1）和沙湖（10.94 ng·g-1）沉積物中抗生素的含量水平。南四湖沉積物中不同類別抗生素的含量水平差異較大，各類抗生素的檢出含量范圍依次為：喹諾酮類在ND-109.16 ng·g-1之間，四環(huán)素類在ND-40.46 ng·g-1之間，磺胺類在ND-11.97 ng·g-1之間，大環(huán)內(nèi)酯類在ND-4.80 ng·g-1之間，氯霉素類在ND-0.79 ng·g-1之間，β-內(nèi)酰胺類ND-0.66 ng·g-1之間。與博斯騰湖和白洋淀沉積物中抗生素的污染特征相似，南四湖沉積物中的主要抗生素類型是喹諾酮類和四環(huán)素類，這可能與抗生素使用量、自身的吸附能力和穩(wěn)定性等因素有關(guān)。

喹諾酮類抗生素的含量水平較高，在各位點的平均含量大小依次為OF（11.67 ng·g-1）＞ERF（4.96 ng·g-1）＞CIP（3.80 ng·g-1）＞NOF（3.60 ng·g-1）＞LFX （0.47ng·g-1），5種喹諾酮類抗生素的檢出率范圍是13.5%-67.3%。喹諾酮類抗生素是近年來使用量較大的一類廣譜性抗生素，被廣泛應(yīng)用于畜牧及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，隨著生產(chǎn)量和使用量的不斷增加，大量廢水中的抗生素未經(jīng)有效處理而進入環(huán)境中。喹諾酮類抗生素自身性質(zhì)穩(wěn)定，半衰期長，在沉積物中具有較強的蓄積能力和持久性，從而可能導(dǎo)致沉積物中喹諾酮類抗生素的檢出水平較高。

其次是四環(huán)素類抗生素，在各點位的平均含量依次為OTC（6.40 ng·g-1）＞CTC（2.34 ng·g-1）＞DOC（1.30 ng·g-1）＞TC（1.10 ng·g-1）＞DMC（0.31 ng·g-1），5種四環(huán)素類抗生素的檢出率范圍為7.7%-57.7%。臨床醫(yī)療、畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖是環(huán)境中四環(huán)素的主要來源，南四湖周邊養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展使抗生素的用量不斷增加，又由于四環(huán)素類抗生素能被沉積物強烈吸附，且與沉積物的親和力較高、不易遷移，從而可能導(dǎo)致四環(huán)素類抗生素長期存在于沉積物中。

盡管大環(huán)內(nèi)酯類和磺胺類抗生素中的較多種類檢出率較高，其中大環(huán)內(nèi)酯類的LCY、RXM的檢出率達到了100%，ATM的檢出率也在88.5%，而磺胺類抗生素中有6種檢出率也在25%以上，但這兩類抗生素的含量水平較低，每種抗生素在各點位的平均含量均低于1.00 ng·g-1。大環(huán)內(nèi)酯類抗生素吸附能力較弱，易受溫度等因素影響，更容易隨水發(fā)生擴散，加上其較高的衰減速率可能是其在沉積物中檢出率較高而檢出含量較低的原因?；前奉惪股刈鳛楂F藥被廣泛使用，在水環(huán)境中具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，但是其吸附能力較弱，這可能是其在沉積物中普遍分布但含量較低的原因。

此外，β-內(nèi)酰胺類抗生素和氯霉素類抗生素的檢出含量和檢出率都比較低。β-內(nèi)酰胺類抗生素由于具有殺菌活性強、低毒性的特點而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療和畜牧業(yè)，但殘留的β-內(nèi)酰胺類抗生素可通過食物鏈進入人體，破壞人體腸道菌群平衡，還可以誘導(dǎo)細菌產(chǎn)生耐藥性，對人類健康產(chǎn)生不利影響，因此，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部出臺了對β-內(nèi)酰胺類抗生素的使用限制，這可能是其殘留量較低的原因。氯霉素類抗生素屬于被禁止使用的抗生素，但仍有一些農(nóng)民為保護牲畜免受嚴重致病性感染而非法使用，但用量較少，這可能是氯霉素類抗生素在沉積物中殘留量較低的原因。

2.2 沉積物抗生素的時空分布

不同采樣時間抗生素組成的PCoA分析結(jié)果（圖2）顯示，PCo1與PCo2可解釋南四湖抗生素組成特征47.5%的信息，汛后和汛前抗生素組成存在極顯著差異（Adonis test。P＜0.01）。汛后抗生素平均含量（48.21ng·g-1）高于汛前（32.08 ng·g-1），且汛后檢測到了更多的抗生素種類，如磺胺類的SCZ、大環(huán)內(nèi)酯類的TYL、氯霉素類的TPC和3-內(nèi)酰胺類的PCG僅在汛后檢出（圖3）。這可能是由于南四湖流域畜禽及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)較為發(fā)達，汛后季節(jié)是漁業(yè)養(yǎng)殖的最佳時期，含有抗生素的飼料和藥劑常被大量使用；另外由于汛期的降雨量較大，也可能導(dǎo)致農(nóng)田土壤徑流和雨污泥流中的大量抗生素匯入湖泊，并在沉積物中蓄積。

對每一采樣時間上級湖和下級湖抗生素的組成特征作PCoA圖，可以看出：不論汛后（圖4a）還是汛前（圖4b），抗生素組成在上級湖和下級湖間均無顯著性差異。然而，不同點位間抗生素含量水平差異較大（圖5），在汛后和汛前抗生素含量水平都較高的點位是S5（汛后276.07 ng·g-1，汛前59.44 ng·g-1）、S11（汛后116.92 ng·g-1，汛前80.94 ng·g-1）和X11（汛后124.03 ng·g-1，汛前68.92 ng·g-1）。S5點位在南陽湖和獨山湖的交界地段，水體交匯區(qū)域含有較多的懸浮顆粒物，其孔徑和比表面積大，有利于抗生素的吸附和沉淀，因此該點位的抗生素含量水平較高。S11點位靠近獨山湖東魚河河岸，周邊分布有畜牧養(yǎng)殖場和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耕地，抗生素和農(nóng)藥化肥的使用可能是其主要污染源，抗生素隨廢水排放或經(jīng)雨水沖刷等匯入湖區(qū)，造成該點位沉積物中抗生素的含量水平偏高。X11點位在微山湖入河口，該地區(qū)生態(tài)旅游業(yè)比較發(fā)達，周邊存在采摘園和生態(tài)水產(chǎn)養(yǎng)殖場等，抗生素的使用量較大，這可能是導(dǎo)致該點位抗生素含量水平較高的原因。而S10、X7、X10點位在汛后和汛前含量水平較低，均在20 ng·g-1以下，推測是由于這些點位位于湖區(qū)邊緣的淺水區(qū)，抗生素容易光解，因而殘留量較低。以上分析結(jié)果表明：自然地理因素和人類活動可能共同對南四湖沉積物抗生素的空間分布產(chǎn)生影響。

2.3 沉積物中抗生素的環(huán)境風(fēng)險

如圖6所示，抗生素的生態(tài)風(fēng)險主要是由喹諾酮類抗生素和四環(huán)素類抗生素以及大環(huán)內(nèi)酯類的LCY引起。喹諾酮類抗生素的生態(tài)風(fēng)險主要來源于OF（汛后和汛前分別有15個和9個點位RQeco≥1）和CIP（汛后和汛前分別有9個和1個點位RQeco≥1）。四環(huán)素類抗生素中，TC（汛后和汛前分別有10個和2個點位RQeco≥1）和CTC（汛后和汛前分別有1個和2個點位RQeco≥1）的生態(tài)風(fēng)險水平較高，DOC和OTC在部分點位也處于中風(fēng)險或低風(fēng)險水平。大環(huán)內(nèi)酯類抗生素中的LCY在所有檢測點位均存在生態(tài)風(fēng)險，其中汛后和汛前分別有12個和6個點位處于高生態(tài)風(fēng)險水平，14個和20個點位處于中風(fēng)險水平?；前奉惪股刂械腟MX和SFZ的部分點位也處于中、低生態(tài)風(fēng)險水平。β-內(nèi)酰胺類抗生素只有PCG和PCV在極個別點位表現(xiàn)為高生態(tài)風(fēng)險。氯霉素類抗生素在除S3外的所有點位上都表現(xiàn)為無生態(tài)風(fēng)險。汛后和汛前構(gòu)成生態(tài)威脅的抗生素種類較為相似，但個別抗生素在不同采樣時間的生態(tài)風(fēng)險水平差異較大，如CIP、SFZ、OF和TC等在汛后的生態(tài)風(fēng)險點位數(shù)量或風(fēng)險水平均高于汛前。這些研究表明南四湖沉積物中的抗生素已經(jīng)對生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了一定的威脅，且汛后的生態(tài)風(fēng)險更高，政府部門應(yīng)采取有效措施減少抗生素匯入南四湖，并采取有效措施保護湖泊生態(tài)安全。

與生態(tài)風(fēng)險的分析結(jié)果類似，喹諾酮類、四環(huán)素類和大環(huán)內(nèi)酯類的LCY的抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險較高（圖7）。喹諾酮類中的OF、CIP、NOF和ERF在汛后分別有19、24、7個和4個點位處于高抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險水平，在汛前分別有16、6、8個和3個點位處于高抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險水平。四環(huán)素類的OTC、TC和DOC也在個別點位具有高抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險，且在較多點位具有中等抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險。大環(huán)內(nèi)酯類的LCY的幾乎所有點位均處于中或高抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險水平?；前奉悺⒙让顾仡惡挺?內(nèi)酰胺類也具有一定的抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險，其中β-內(nèi)酰胺類的PCG、PCV和AMC的極個別點位表現(xiàn)為高抗生素抗性風(fēng)險。值得注意的是：一些只具有低生態(tài)風(fēng)險（如喹諾酮類的NOF）甚至無生態(tài)風(fēng)險（如氯霉素類的CPC）的抗生素，卻可能產(chǎn)生較高的抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險。因此，在進行抗生素風(fēng)險分析時，只對傳統(tǒng)的生態(tài)風(fēng)險進行評估可能會低估抗生素引起的環(huán)境風(fēng)險，今后應(yīng)加強關(guān)于抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險的評價。

3 結(jié)論

（1）南四湖沉積物中共檢出6類27種抗生素。喹諾酮類和四環(huán)素類的檢出量較高，主要包括OF（ND-37.13 ng·g-1）、CIP（ND-35.70 ng.g-1）、ERF（ND-109.16 ng·g-1）和OTC（ND-40.46 ng·g-1）等；而大環(huán)內(nèi)酯類中的一些抗生素檢出率較高，具體為LCY 100%、RXM 100%、ATM 88.5%。

（2）抗生素組成在汛后和汛前具有顯著差異（Adonis test，P＜0.01），汛后抗生素平均含量（48.21ng·g-1）高于汛前（32.08 ng·g-1），SCZ、TYL、TPC和PCG僅在汛后檢出；在同一采樣時間，上、下級湖間的抗生素組成沒有顯著性差異，但在不同點位間具有較大差異。

（3）喹諾酮類、四環(huán)素類和大環(huán)內(nèi)酯類的LCY同時具有較高的生態(tài)風(fēng)險和抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險，而一些低或無生態(tài)風(fēng)險的抗生素（如NOF和CPC）也在一些點位具有較高的抗生素抗性發(fā)展風(fēng)險。

（責任編輯：李丹）

基金項目：山東省自然科學(xué)基金項目（ZR2023MC159.ZR2022MD010）；山東省高等學(xué)?！扒鄤?chuàng)團隊計劃”項目（2022KJ099）